CN105706237B - 用于倒装芯片led的基于框架的封装 - Google Patents

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Abstract

中空框架配置成围绕大体自支撑的倒装芯片发光器件的外围。框架可以成形为还包含发光器件的发光表面上方的波长转换元件。通过中空框架暴露的发光器件的下表面包括接触垫，其耦合到发光元件以用于将发光模块表面安装在印刷电路板或其它固定装置上。倒装芯片发光器件可以包括在其上生长发光元件的图案化的蓝宝石衬底（PSS），图案化的表面提供穿过图案化的蓝宝石衬底从发光元件的增强光提取。

Description

用于倒装芯片LED的基于框架的封装
技术领域
本发明涉及发光器件的领域，并且特别地涉及在器件的外围周围提供反射外壳的框架。
背景技术
半导体发光器件不断扩展的使用已经产生针对这些器件的高度竞争性的市场。在该市场中，性能和价格通常对于提供厂商之间的产品区分是重要的。因此，共同目标是减少生产成本而同时提供来自发光器件的等同或更好的性能。
用于提供发光元件的相对廉价的封装的一种技术是将发光元件放置在具有促进对发光元件的外部连接的引线框架接触件的框架中。LED引线框架一般包括成形为提供对LED的外部连接的导体对。支撑框架可以在引线框架周围模制使得引线框架导体提供支撑框架内的传导表面以安装LED，以及支撑框架外部处的传导表面以将有框架的LED安装在印刷电路板或其它固定装置上。
2010年8月19日公开并且通过引用并入本文的Serge L. Rudaz, SergeBierhuizen和Ashim S. Haque的USPA 2010/0207140，“COMPACT MOLDED LED MODULE（经紧凑模制的LED模块）”公开了一种支撑框架的阵列，其内的发光器件键合到每一个支撑框架内的引线框架接触件，如图7A-7B中所示。
图7A图示了经模制的框架阵列40内的两个引线框架16。每一个引线框架16包括导体12和14。在该示例中，在每一个引线框架16周围形成桶（tub）10，并且引线框架16的导体12和14成形为延伸穿过框架元件40以便提供用于安装发光器件的桶10内的接触件12a,14a，以及用于将具有发光器件的桶10随后安装到印刷电路板或其它固定装置上的接触件12b,14b。尽管仅图示了两个引线框架16和桶10，但是经模制的框架阵列40可以包括数百个引线框架16和桶10。
图7B图示了两个发光模块38。在该示例实施例中，可以是具有最小固有结构支撑的薄膜器件的发光器件20位于基板30上，基板30向发光器件20提供必要的结构支撑。诸如ESD保护器件26之类的其它器件也可以位于基板30上。保护涂层28可以提供在基板30上。穿过基板30的导体24将发光器件20耦合到引线框架16中的接触件12和14。
桶10可以随后填充有包封剂。可选地，包封剂或保护涂层28或发光器件20可以包括波长转换材料，诸如磷光体，其吸收一些或全部的发射光并且以不同波长发射光。桶10的内壁15可以是反射性的，以朝向桶10的外部重定向光。
当完成后，通过沿着线36进行切分来单分由框架阵列40形成的各个发光模块38。单独化的发光模块38包括侧表面35，其促进发光模块38的拾取和放置，但是消耗比光产生元件20明显更大的体积，并且相比于光产生元件20的表面积而言引入明显更大的足迹（footprint）。这种大体积和足迹“开销”限制这样的发光模块在诸如用于便携式设备的闪光或光照元件之类的应用中的使用，所述便携式设备诸如智能电话等。
发明内容
将有利的是提供一种较不复杂的过程以用于提供具有促进发光模块的处置的侧表面和与发光表面相对的接触件的发光模块。还将有利的是以最小体积和足迹开销来提供这样的发光模块。
为了更好地解决这些关注点中的一个或多个，在本发明的实施例中，中空框架配置成围绕大体自支撑的倒装芯片发光器件的外围。框架可以成形为还包含发光器件的发光表面上方的波长转换元件。通过中空框架暴露的发光器件的下表面包括接触垫，其耦合到发光元件以用于将发光模块表面安装在印刷电路板或其它固定装置上。倒装芯片发光器件可以包括在其上生长发光元件的图案化的蓝宝石衬底（PSS），图案化的表面提供通过图案化的蓝宝石生长衬底从发光元件的增强光提取。
附图说明
参照附图，更详细地并且通过示例的方式来解释本发明，其中：
图1A-1F图示了示例发光模块，其包括具有可选波长转换元件的围绕发光器件的外围的中空框架。
图2A-2F图示了用于中空框架的其它示例内部轮廓。
图3A-3D图示了其它中空框架结构的示例。
图4图示了示例中空框架阵列结构。
图5A-5B图示了示例发光模块，其包括框架元件中的开放腔体内的多个发光二极管。
图6图示了示例可替换组装方法。
图7A-7B图示了示例现有技术发光模块，其包括具有引线框架接触件的支撑框架。
图8A-8C图示了示例自支撑发光管芯。
贯穿附图，相同参考标号指示类似或对应的特征或功能。出于说明性目的而包括附图并且其不意图限制本发明的范围。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释而非限制的目的，阐述具体细节，诸如特定架构、界面、技术等，以便提供本发明的概念的透彻理解。然而，对本领域技术人员将显而易见的是，本发明可以在脱离这些具体细节的其它实施例中实践。以类似方式，该描述的文本针对如图中所图示的示例实施例，并且不意图超出权利要求中所明确包括的限制之外地限制所要求保护的发明。出于简单且清楚的目的，省略公知的器件、电路和方法的详细描述以免以非必要的细节使本发明的描述晦涩难懂。
厚的自支撑发光器件现在通常是可得到的。图8A-8C图示了若干自支撑发光器件100的示例。图8A图示了衬底110，在其上形成/生长半导体层以创建多个发光器件100。衬底110通常是蓝宝石或玻璃，并且每一个器件100的发光元件120通常包括夹在n型半导体层与p型半导体层之间的有源区。垫130提供对n和p层的接触，使得当电流在这些层之间流动时，从有源区发射光。掺杂成提供n型和p型半导体的氮化镓（GaN）通常被用作形成发光元件120的半导体。
衬底110可以被切分/划分（图8A中的虚线）以提供单个化发光芯片100。在操作中，各个发光芯片典型地以“倒装芯片”配置取向，如图8B中所示，其中接触垫130在芯片100的名义上的“底部”上，如图8C中所示。光主要从发光元件120的“顶”表面125发射到衬底110中，并且随后从衬底110的顶表面115和侧表面116发射。一些光还可以从发光元件120的侧表面126发射。
为了增加从发光元件120向衬底110中的光提取效率，衬底110与发光元件120之间的界面可以“粗糙化”以减少该界面处的全内反射（TIR）的可能性。通常，衬底110是在其上生长发光元件120的图案化的蓝宝石衬底（PSS），蓝宝石衬底上的图案创建衬底110与发光元件120之间的前述“粗糙化”界面。
尽管发光器件100是大体自支撑的，但是其一般可以“封装”成当其在最终产品的组装（诸如印刷电路板和其它固定装置的组装）期间经历各种过程时承受随后的处置。如图7A-7B的示例中那样，芯片100可以放置在引线框架的条带或阵列上，其中垫130焊接到使得能够外部连接到每一个发光芯片100的引线框架中的导体。将引线框架的阵列处理成包封每一个发光芯片或者发光芯片的集合，然后将其单分以提供各个经包封（“封装”）的发光器件。
包封服务于多个目的；包封剂保护发光芯片免受环境影响，并且可以形成为提供一个或多个特定光学功能。例如，包封剂可以包括波长转换材料，诸如磷光体，其将从发光芯片100发射的一些或全部光转换成不同波长的光。包封剂还可以成形为形成提供期望光输出图案的透镜。可选地，包封剂可以放置在通过反射壁形成的井内，诸如图7B中的发光模块38的桶10。
图1A-1F图示了消除针对引线框架的需要并且提供最小体积和足迹开销的封装过程。
图1A图示了示例中空框架210，在其内可以放置发光芯片。可选地，框架210的内壁215可以是反射性的，例如通过使用银（Ag）或其它反射材料的涂层。框架210中的开口的形状和大小可以对应于发光芯片100的形状和大小，如图1B中所示。优选地，对发光芯片100进行预测试，使得仅封装操作芯片100。
尽管图1A-1F图示了单个框架210，但是可以提供框架210的阵列400，诸如图4中所示，以使得能够同时组装和测试多个框架210。
在组装之前，可以处理阵列400以在每一个框架210内的壁215上应用反射材料。取决于经封装的器件所意图的应用，整个阵列400可以喷涂有反射材料，或者框架210的上表面可以被掩蔽而反射材料应用于内壁。可以使用其它技术来应用反射涂层，包括将阵列400浸入在反射材料缸中。在一些实施例中，框架210的材料可以固有地是反射性的，从而消除应用分离的反射涂层的需要。
在组装之后，沿着切割线410切分/划分框架阵列以提供单分化的经封装的发光器件200，如图1A-1F中所示。尽管没有图示，但是阵列400可以包括促进这样的切分/划分的框架210之间的特征。优选地，针对阵列400所选择的材料通过使用机械或激光切割过程而被容易地切分。本领域技术人员将认识到，可以对框架切分以提供包括多个发光芯片的模块，如下文关于图5A-5B进一步详述的。
如图1B中所示，诸如粘合带之类的可移除片280可以覆盖框架210的下表面，以提供芯片100在组装过程期间可以支撑于其上的表面。如图1C中所示，片280可以是柔性的，从而允许芯片100放置在框架210内使得接触垫130稍微延伸到框架210下方，如果期望的话。可选地，垫130可以与框架210的下表面齐平。
芯片100可以使用各种技术中的任何一种来固设在框架210内。如果框架210是柔软的，则框架中的开口的大小可以设计成提供摩擦配合。可替换地，框架中的开口可以略大于芯片100，并且框架210上的壁215或者芯片100的侧壁可以在将芯片100插入到框架210之前涂敷有粘合剂。如果粘合剂是反射性的，则可以消除提供壁215上的反射表面的需要。
在一些实施例中，框架210可以是可收缩的材料，诸如在将发光芯片100（以及在下文讨论的可选帽230）插入到框架210中之后收缩的热收缩材料。在一些实施例中，将框架400（在图4中）激光切分成各个经封装的器件200可以提供能量以导致材料收缩。鉴于本公开内容，对于本领域技术人员而言，用于将芯片100固设到框架210中的其它技术将是显然的。
如图1D中所示，可以提供帽230以覆盖发光芯片100。该帽接收来自芯片的发光表面115的光，并且可以在从帽230的表面235发射光之前提供期望的光学效果。例如，帽可以包括波长转换材料，其将来自发光芯片100的一些或全部光转换成一个或多个不同波长的光以实现期望的色点。类似地，尽管图示为平行六面体，但是帽230可以成形为形成提供期望的光输出图案的透镜，诸如准直透镜。
发光芯片100的发光表面115和帽230的发光表面235可以粗糙化或图案化以通过减少这些表面处的全内反射（TIR）的可能性来增强光发射效率。可选地，界面材料可以应用在发光芯片100与帽230之间或者这些元件与反射壁215之间的界面处以增强这些元件之间的光学耦合。
如图1E中所示，框架210的大小可以设计成包含帽230以及芯片100，并且反射壁215服务于重定向可以从帽230的侧面逸出的光。帽230在框架210中的放置提供帽230与发光芯片100的精细对准，这是实现经封装的器件200之间一致的特定光输出图案所通常要求的。帽230可以使用用于将芯片100附连到框架210的任何附连方法来附连到框架210。
在将芯片100和可选帽230附连到框架210之后，经封装的器件200将具有发光表面235（或者表面115，如果不包括可选帽230的话）作为“上”表面，以及在器件200的“下”表面上的接触垫130。以此方式，在没有使用引线框架或基板的情况下形成经封装的发光器件200。
如图1E和图1F中所示，经封装的发光器件200具有最小量的体积和足迹开销，以及低轮廓，并且特别良好地适合用于使用在小型手持设备（诸如电话等）中。减小的体积和足迹开销还可以有益于其它应用，诸如机动车、光照和显示应用。
本领域技术人员将认识到，框架210可以包括促进组装过程的其它特征。例如，框架210中的开口可以包括允许气泡在芯片100和帽230被插入时逃出框架210的特征，这在本领域中是常见的。以类似方式，框架210可以包括帽230和反射壁215之间的诸如TiO2或硅树脂之类的材料以减少或消除“蓝色环”，其可能在蓝光从发光芯片100的边缘出射时被引起，而不穿过包括波长转换材料的帽。
本领域技术人员还将认识到，除保护发光芯片110和以最小体积和足迹开销提供封装之外，框架210可以提供其它功能。例如，用于框架210的材料可以选择成提供高热导率，从而通过高效地耗散发光芯片100和帽230（如果其包括波长转换材料的话）所生成的热量来延长器件200的寿命。
尽管以上使用其中首先插入发光芯片100然后是帽230的示例过程来呈现本发明，但是本领域技术人员将认识到，帽230可以首先插入到框架210中，接着是发光芯片；或者帽230和发光芯片100可以附连到彼此，然后插入到框架210中。
图2A-2F图示了用于中空框架201-206的其它示例内部轮廓。
如图2A中所示，示例框架210包括“台阶”特征211，其服务于控制发光芯片100和帽230的竖直布置。特别地，台阶211可以安置成控制发光芯片100的接触件在插入帽230时延伸超出框架201的下表面的程度。
如图2B中所示，框架202包括倾斜壁段212，其促进发光芯片100向框架210中的插入，并且还服务于远离发光芯片100重定向来自帽230的任何侧发射的光。
如图2C中所示，框架203包括延伸到框架210的下表面的倾斜壁段212。同样在图2C中所示，通过将材料以液体或膏体形式分配到由框架210中的开口形成的腔体中，然后使该材料凝固来创建帽230'。例如，材料可以是具有可选波长转换材料的硅树脂，其以液体形式应用，然后被固化以形成刚性帽230'。在这样的实施例中，液体或膏体材料可以充当将芯片100附连到框架210的粘合剂。
如图2D中所示，框架240还包括分配到腔体中的帽230'，但是在该示例中，壁213不是倾斜的。
如图2E中所示，框架205包括位于芯片100与帽230之间的中间光学元件240。该光学元件240可以提供特定光学效果，或者其可以通过提供芯片100和帽230的折射率之间的折射率来增强光提取效率。该光学元件240被图示为预形成的平行六面体，但是其可以具有任何形状，并且可以以液体或膏体形式分配，然后凝固（未图示）。如分配在框架210的腔体内的帽230'的示例中那样，所分配的光学元件240可以服务于将芯片100附连到框架210。可以存在元件230,240,100与框架210之间的小间隙238，或者元件230,240,100中的一个或多个可以紧密地配合在框架210内部。
本领域技术人员将认识到，可以使用各种形成和组装技术来实现期望的封装构造。在图2A-2E中示出的一些或全部技术可以组合。如图2F中所示，示例框架206包括倾斜壁段212、预形成的中间光学元件240、以及以液体或膏体形式分配并且服务于将芯片100和光学元件240附连到框架210的帽230'。
尽管框架210中的开口优选地成形为对应于发光芯片的形状（其典型地为直线形），以最小化所得器件200（或201-206）的足迹，但是可以提供其它形状的开口。例如，因为穿过材料钻出或开出圆形孔一般更加简单，所以可以提供圆柱或圆锥孔，如图3A-3D中所示。
如图3A中和图3B中的横截面中所示，示例器件301包括框架210和圆柱孔，其中放置直线形发光芯片100和圆形帽230。在该示例实施例中，孔的大小使得其外切发光芯片100，即发光芯片100的对角线小于或等于圆柱孔的直径。以此方式，最小化由圆柱孔而不是直线形孔所引起的额外足迹开销。在一些实施例中，发光芯片100预附连到圆形帽230，然后将元件对100,230放置在圆柱框架210内。芯片100与框架210的圆柱壁315之间的空间可以填充有反射材料，诸如随后硬化的电介质膏体。
如图3C中和图3D中的横截面中所示，示例设备302，框架210包括圆锥孔，其中框架210的底表面处的开口的大小外切晶片100。在该示例中，帽230'以液体或膏体形式分配在圆锥腔体内，然后硬化，并且可以服务于将芯片100附连到框架210。可选地，壁325可以是反射性的。
如上文所指出的，图4的框架400可以配置和切分/划分成使得每一个单分化的模块包括多个发光芯片。多个芯片模块通常用于高功率应用，诸如机动车照明模块。
图5A-5B图示了示例发光模块，其包括发光模块内的多个发光二极管。在这些示例中，发光模块501,502包括具有帽230的四个发光芯片100的一行或多行。也就是说，模块501,502可以是包括四个芯片100的“线性”光条带，或者芯片100的“MxN”阵列。变量M或N可以是4或者任何其它适当的整数。
在示例机动车照明应用中，芯片100在框架中的经限定的腔体内的放置提供实现高对准精度的简单方法，其可能是某些机动车灯所要求的。
图5A图示了其中首先插入每一个发光芯片100，接着是对应帽230的框架510。
图5B图示了其中首先插入帽230，接着是发光芯片100的“面向下”插入的相同框架510。该方法提供的优势在于：相比于发光芯片100的突出接触件，帽230提供与框架510的水平表面。这可以简化组装过程，并且提供关于用作可移除片（图1B中的280）的材料选择的更宽范围的选项，所述可移除片提供首先插入的元件在组装过程期间支撑于其上的表面。也就是说，消除了片280可拉伸以适应接触件130的要求，如图1C中所示。
图6图示了示例可替换组装方法。在该示例中，帽230放置在框架610中，并且发光芯片100附连到衬底650，诸如印刷电路板。在将发光芯片100附连到衬底650之后，将具有帽230的框架610放置在衬底上。
尽管图6图示了多芯片模块601，但是本领域技术人员将认识到，可以以相同方式组装单个芯片模块。
虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被视为是说明性或示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
例如，尽管附图图示了围封所有元件100,230,240的框架210，但是可能在以下实施例中操作本发明：其中帽230的一些或全部延伸到框架210上方并且成形为提供特定光学效果。例如，帽230可以是蘑菇形状的，上部分提供所发射的光的更宽分布。以类似方式，光学元件240的一些或全部可以延伸到框架210上方，并且帽230可以包封延伸超出框架210的光学元件240的部分。还可以省略帽230并且光学元件240可以成形为提供前述的期望光学效果。
本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何参考标记不应当解释为限制范围。

Claims (13)

1.一种发光器件，包括：
限定过孔的框架；
固设在过孔内的发光芯片，所述发光芯片包括与过孔的一个或多个壁直接接触的一个或多个侧部，其中发光芯片包括：
衬底；
衬底上的发光元件，其中发光元件包括夹在n型半导体与p型半导体之间的有源区；以及
与衬底相对的发光元件的表面上的接触垫，其中至少第一接触垫连接到n型半导体并且第二接触垫连接到p型半导体；以及
固设在过孔内的帽。
2.权利要求1所述的器件，其中衬底是在其上形成发光元件的生长衬底。
3.权利要求1所述的器件，其中衬底包括图案化的蓝宝石衬底。
4.权利要求1所述的器件，其中帽接收来自衬底的光，并且从帽的发光表面发射光。
5.权利要求4所述的器件，其中帽包括波长转换材料，所述波长转换材料吸收来自发光元件的一些或全部光并且将其转换成不同波长的光。
6.权利要求4所述的器件，其中框架包括与衬底和帽相邻的反射内壁。
7.权利要求1所述的器件，其中框架围绕多个发光元件。
8.一种框架结构，包括：
包括多个过孔的框架，
位于过孔中的多个发光芯片，每一个发光芯片包括与对应过孔的一个或多个壁直接接触的一个或多个侧部，每一个发光芯片包括：
衬底；
位于衬底上并且通过衬底发射光的发光元件；以及
形成在与衬底相对的发光元件的表面上的接触垫；以及
固设在过孔内的多个帽，
其中每一个过孔允许直接外部接触到接触垫并且允许来自衬底的光从框架结构出射。
9.权利要求8所述的框架结构，其中每一个帽光学耦合到对应过孔内的发光芯片的衬底。
10.权利要求9所述的框架结构，其中每一个帽包括波长转换材料。
11.一种形成发光模块的方法，包括：
提供包括多个过孔的框架结构；
将发光芯片放置在每一个过孔内，每一个发光芯片包括与对应过孔的一个或多个壁直接接触的一个或多个侧部，其中每一个发光芯片包括：
衬底；
位于衬底上并且通过衬底发射光的发光元件；以及
形成在与衬底相对的发光元件的表面上的接触垫；
将帽放置在每一个过孔内；以及
切分框架结构以提供各个发光模块，每一个发光模块包括一个或多个发光芯片，其中每一个过孔允许直接外部接触到接触垫并且允许来自衬底的光从对应的发光模块出射。
12.权利要求11所述的方法，其中衬底是在其上形成每一个发光元件的生长衬底。
13.权利要求11所述的方法，其中每一个帽包括波长转换材料。
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